综述:双链RNA(dsRNA)技术在食品采后保鲜和储存中的创新应用:机制、进展与挑战

时间:2026年5月21日
来源:Journal of Stored Products Research

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作者:史贵勤、陈彦进、任飞、杨金光、杨梦彤 中国郑州轻工业学院食品与生物工程学院,郑州 450002 摘要 双链RNA(dsRNA)技术已成为一种有前景的生物技术工具,用于采后食品保鲜。通过利用RNA干扰(RNAi)机制,dsRNA能够有效靶向并抑制病原微生物、害虫或食品本身

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作者:史贵勤、陈彦进、任飞、杨金光、杨梦彤
中国郑州轻工业学院食品与生物工程学院,郑州 450002

摘要

双链RNA(dsRNA)技术已成为一种有前景的生物技术工具,用于采后食品保鲜。通过利用RNA干扰(RNAi)机制,dsRNA能够有效靶向并抑制病原微生物、害虫或食品本身的关键基因,从而降低疾病发生率、延缓成熟过程并延长保质期。本文系统比较了RNAi在采前植物保护和采后食品保鲜中的应用模式,并探讨了其在对抗采后病原真菌、调节果蔬生理代谢以及管理储存粮食害虫方面的进展。文章深入分析了目标选择、递送方法、影响因素及实际案例。同时讨论了采后特有的挑战,如环境稳定性、食品接触安全性、微生物生态影响、成本控制及工业化路径,并提出了纳米载体封装、多靶点设计和智能释放系统等应对策略。未来的研究应重点改进dsRNA结构和表达系统,开发高效的递送平台,并建立标准化的安全协议,以促进dsRNA在食品保鲜领域的工业化应用。

引言

全球约有三分之一的可食用农产品在采后阶段因机械损伤、代谢过程、微生物病原体和害虫而损失(El Khetabi等人,2022年)。采后疾病主要由真菌、细菌和害虫引起,而果实成熟和损伤会加剧病原体感染(Petrasch等人,2019年)。食品变质带来了食品安全和环境保护的挑战,因为病原体会产生黄曲霉素和赭曲霉素等毒素,这些毒素难以清除,可能导致急性中毒、肝脏损伤甚至癌症(Wild和Hall,2000年;Goessens等人,2024年)。
目前的采后保鲜方法主要依赖于化学杀菌剂、物理低温储存和改良气氛包装(Augusto等人,2018年)。化学药剂效果显著,但长期使用会促进病原体抗性产生,且化学残留物对人类健康和环境构成威胁(Thivya,2022年;H. Dong等人,2024年)。物理技术避免了化学残留,但可能影响果实品质、消耗大量能源,并对某些疾病的防治效果有限(Yoon等人,2020年;Susilo等人,2022年;Baena等人,2023年)。因此,迫切需要创新高效、安全且环保的保鲜技术。表1展示了不同采后病害控制方法的对比。
双链RNA(dsRNA)作为一种创新的生物技术工具,在食品保鲜方面展现出巨大潜力。该技术利用了广泛存在于真菌、昆虫和植物中的RNA干扰(RNAi)机制,通过诱导同源mRNA的有效特异性降解来抑制目标基因表达(Dang等人,2011年)。RNAi最初在植物中被发现,被称为共抑制或转录后基因沉默(Napoli等人,1990年),后来在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)中重新被发现并命名为RNAi(Fire等人,1998年)。RNAi已在植物、昆虫、动物和微生物中得到验证(Wytinck等人,2020年)。采后保鲜处理主要采用喷雾诱导的基因沉默(SIGS),dsRNA通过Dicer酶切割成小干扰RNA(siRNA)(图1)(Wang等人,2021年)。随后,siRNA的 passenger 链也会被Dicer酶降解。形成的复合物与Argonaute(AGO)结合形成RNA诱导的沉默复合体(RISC)(Svoboda,2020年)。该复合体通过切割含有互补序列的目标mRNA来沉默目标基因的表达。
跨界RNAi的概念指的是dsRNA跨越物种界限,在其他生物体内沉默目标基因(Weiberg等人,2015年)。这一独特性质使dsRNA成为一种有前景的生物农药和保鲜剂,能够选择性地抑制关键病原体基因。dsRNA在防治果蔬采后病害和害虫方面表现出有效性(Liu等人,2012年;Weiberg等人,2013年;Wang等人,2017年)。该技术可通过调节食品基因表达直接影响成熟过程并延长保质期(Yang等人,2017年;Xia等人,2025年)。其特点是高特异性、对非目标生物的影响微小,并在环境中快速降解,长期污染风险较低(Mitter等人,2017年;Bennett等人,2020年)。
本文整合了RNAi的基本机制,研究了不同物种间核心RNAi组分的功能差异和扩展。真菌中的Dicer样(DCL)蛋白协同模式、昆虫系统性RNA干扰缺陷-1(SID-1)转运系统的种间变异以及植物RNAi途径的特殊调控层次共同构成了采后dsRNA设计的分子基础。在此基础上,本文系统讨论了dsRNA的目标设计策略和大规模生产系统,特别强调了以质体转化技术为代表的植物系统作为生物反应器的作用。通过比较采前植物保护和采后食品保鲜的应用模式,明确了采后场景中对目标生物的特殊要求、递送方法、环境压力及总体目标。文章深入分析了采后病原体控制、果蔬生理调节和储存害虫管理三个方向的目标选择、递送方法、影响因素及实际案例,并探讨了采后特有的挑战、技术效果瓶颈、安全监管和经济可行性问题,提出了纳米载体封装、多靶点协同设计和智能释放系统等应对策略。

章节摘录

关键基因靶点

dsRNA的目标选择直接决定了其特异性和有效性,需要考虑序列保守性、表达水平和功能重要性。对于采后病害控制而言,由于病原体感染和宿主生理变化都会导致食品品质下降,因此目标选择必须平衡关键病原体基因和宿主调控基因。
一个先决条件是确认目标生物具有功能性的RNAi机制,特别是完整的Dicer酶等组件。

采前植物保护

基于RNAi的采前保护包括宿主诱导的基因沉默(HIGS)、病毒诱导的基因沉默(VIGS)和喷雾诱导的基因沉默(SIGS),如图3所示。HIGS涉及转基因作物产生dsRNA,通过靶向关键基因来抑制病原体的生长和致病性(Tinoco等人,2010年;Weiberg等人,2013年),对病毒、真菌、昆虫和线虫均有效(Koch和Wassenegger,2021年)。VIGS在技术上类似于HIGS,但使用的方法有所不同……

靶点和递送

采后腐烂是由多种植物病原微生物引起的,其中真菌感染是食品变质的主要原因之一(Jurick II,2022年)。收获期间和之后的机械损伤会加剧真菌病原体的侵袭(Hassan等人,2021年;Matrose等人,2021年)。Botrytis cinereaStreptomycesAspergillusFusariumPenicillium是最常见的致病菌(Dukare等人,2019年;Godana等人,2023年)。
dsRNA需要穿越细胞壁和膜屏障才能进入真菌细胞。

稳定性和递送瓶颈

dsRNA的环境稳定性对其调控效果至关重要。它在农田、包装设施和储存区域的稳定性,包括对雨水、紫外线和微生物降解的抵抗力,对于保持其功能至关重要(Parker等人,2019年;Bachman等人,2020年;Qiao等人,2021年)。果实和蔬菜的气孔密度、表面特性及独特的蜡质角质层会阻碍dsRNA的有效渗透,从而影响其效果(Schreiber……

研究总结

dsRNA技术利用RNAi机制,在三个方向上展示了应用潜力:采后病原体控制、果蔬品质保鲜和储存害虫管理。与采前植物保护相比,采后应用主要采用非转基因的SIGS策略,但在食品接触安全性、低温稳定性和成本控制方面面临特殊挑战。在目标设计层面,不同物种间核心RNAi组分的差异……

作者贡献声明

史贵勤:数据整理、正式分析、资金获取、研究调查、方法学设计、初稿撰写。陈彦进:数据整理、正式分析、研究调查、初稿撰写。任飞:数据整理、研究调查。杨金光:数据整理、审稿与编辑。杨梦彤:数据整理、研究调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省科学技术项目(编号:242102111029)和烟草病虫害监测与综合治理重点实验室(编号:KLTPMIMT 2023-05)的资助。

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